1.5 MW直驱风力发电机变流器控制策略的研究

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摘 要：主要对直驱风力发电机变流器主回路的设计进行了研究，提出了一种采用被动整流+Boost升压电路的架构，可使电机侧控制简化，不再需要复杂的发电机转速和磁场估计算法。研究内容主要包括变流器主回路的设计、电机侧Boost电流控制和网侧变流器的并网电流控制。

关键词：主回路；变频器；整流器；网侧逆变器

中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.20.086

1 概述

直驱机组采用永磁同步电机、无增速齿箱设计和全功率变频器，可实现功率的柔性控制。该功能的主要意义在于控制风电场的整体出力，特别是在大风天气下可通过控制风电场的输出，配合电力系统调度生产电力，以保证电网的安全、稳定运行。本文对直驱风力发电机组并网变流器进行了理论分析，计算了主回路参数，并对机侧和网侧变流器的控制方法展开了研究。

2 直驱风电并网变流器主电路的设计

在直驱并网变流器技术的基础上，设计了变流器主电路的各个环节，主要包括电机侧补偿电容的设计、被动整流单元的设计、Boost（升压）单元的设计、直流母线电容的设计、网侧逆变单元的设计和并网LCL滤波器的设计。采用这种拓扑的优势有以下3点：①采用被动整流，电机侧电流为连续量，因此，系统的du/dt很低，接近于0；②采用三相四线制，直流母线接地，大大降低了共模电压；③被动整流+Boost升压电路的架构可使电机侧控制简化。

3 主回路控制器的设计

3.1 电机侧Boost电流控制

电机侧采用不控整流的电路结构，通过升压斩波器调节其输入电流、控制发电机的负载转矩，从而实现对发电机的调节。

在风电系统中，变流器发电机侧电路的主要功能是从发电机最大可能地拉取功率，并注入直流母线。设定Boost电流参考可保证风力发电机在最大功率点附近（或按照设定功率曲线）运行。

在此系统中，设定Boost电流参考保证系统按照设定功率曲线运行的功能由主控GH策略完成。主控根据GH策略计算得到的发电机功率设定除以变流器的整流电压，即可得到Boost电流设定，并通过通讯电缆将设定指令传递给变流器。

发电机输出经不可控整流后，经过Boost升压电路注入直流母线电容，将电感电流控制为给定直流量。升压电路电流模型如下：

. （1）

式（1）中：L为升压电路电感值；i为电感电流；Vrec为不可控整流后电压；S为Boost电路开关函数；Vdc为直流母线电容电压。

设开关周期为T，一个开关周期内IGBT导通时间所占的比例为d，即占空比。当在开关周期足够短的情况下，可近似认为整流电压Vrec和直流母线电压Vdc在一个开关周期内保持恒定，则当Boost电路IGBT导通时，S=0，电感电流上升，且：

. （2）

当Boost电路IGBT关断时，S=1，电流经上桥臂二极管续流，电感电流下降，且：

. （3）

在一个开关周期内，Boost电流的变化可近似为：

Vrec·dT+（Vrec-Vdc）·（1-d）T （4）

由式（4）可得到一个开关周期内Boost电流的平均变化近似为：

. （5）

式（5）即为Boost电路的平均电流模型。当在开关周期足够短的情况下，该平均电流模型具有可用的精度保证。由Boost电路的平均电流模型可发现，Boost电流与占空比的补（1-d）为简单的积分关系，即：

. （6）

采用上述系统控制器设计会变得非常容易。采用PI控制器

时，比例系数可以选择 （或比此值略小，以增加系统的稳定

裕度），再加入一小的积分环节以补偿模型误差和扰动即可。

3.2 网侧变流器的并网电流控制

变流器网侧电路的主要功能是稳定直流母线电压和向电网输送电能，还可侦测电网故障。

Freqcon 1.5 MW变流器采用三相四线并网逆变器，三相电流控制独立，其逆变器状态模型为：

. （7）

式（7）中：Ua，Ub和Uc分别为三相电网电压；ia，ib和ic为逆变器三相电感电流；Sa，Sb和Sc分别为三相桥臂的开关函数。

当某相逆变器的上桥臂导通时， ，逆变器并网电流增

大；反之，当某相逆变器的下桥臂导通时， ，逆变器并网

电流减小。需要注意的是，任何一相桥臂的上、下开关管无法同时导通时，会造成直流母线短路。在实际控制中，会在上、下桥臂驱动信号中添加死区，在死区时间内，上、下桥臂均为关断状态。此时，电流通过IGBT反向并联二极管续流。

与Boost电流控制模型相同，当开关周期足够短时，可得到的逆变器平均电流模型为：

. （8）

式（8）中：dia，dib和dic分别为第i相桥臂上管的导通占空比。

与Boost电流控制相同，各相电流与占空比（di-0.5）为简单的线性积分关系，通过简单的PI控制器即可有效控制逆变器并网电流。

变流器目前使用模拟变流板，对并网电流的控制回路依靠

电网电压的前馈控制。令占空比前馈分量 ，则上

述平均电流模型可变换为：

. （9）

综上所述，增加前馈控制回路后，新的平均电流模型与电网电压无关，从而消除了电网电压扰动对并网电流控制的影响。

4 结束语

本文提出了一种分开控制电机侧变流器与电网侧变流器的控制策略。在本策略中，电机侧采用被动整流+Boost升压电路的架构，这样可简化电机侧的控制。当风机处于额定风速以下时，可很好地通过控制发电机转速获取最大风能和稳定直流侧电压；当风机处于额定风速以上时，控制叶片的角度可保持机组在额定功率范围内运行。此外，该系统在电网侧可保持网侧功率因数运行，具有较好的动、静态性能。

参考文献

[1]肖磊.直驱型永磁风力发电系统低电压穿越技术研究[D].长沙：湖南大学，2009.

〔编辑：张思楠〕